Lage- und Bestückungskontrolle auf einem Montage-Transfersystem mit einem Vision-Sensor

Diplomarbeit von Mathias Künne

Einleitung:

Aufgabenstellung und Zielsetzung:

Die Aufgabenstellung dieser Diplomarbeit ist es, an einem Bosch-Linear-Transfersystem TS 2, welches sich im Labor für Automatisierungstechnik der Fachhochschule Gelsenkirchen befindet, eine vorhandene Kamera zur Lage- und Bestückungskontrolle durch einen modernen Vision-Sensor zu ersetzen. Dieser soll dabei die, an einem Handarbeitsplatz bestückten, Werkstückträger auf ihre korrekte Lage und Bestückung kontrollieren. Dabei handelt es sich um folgende Bauteile, die ein Roboter im nächsten Arbeitsschritt zu einem Spurstangenkopf für einen PKW der Marke Ford Focus zusammensetzt:

Schaftgehäuse, Untere Lagerschale, Kugelzapfen, Obere Lagerschale, Deckel.

Die Werkstücke stammen von der Firma TRW Fahrwerkstechnik GmbH & Co. KG, die diese der Fachhochschule zur Verfügung gestellt hat. Bei der Umsetzung sind folgende Punkte zu berücksichtigen:

Auf Grund des geringeren Platzes am neuen Standort des Transfersystems, muss auf den Bestückungstisch, der zuvor zum Einsatz kam, verzichtet werden. Es muss eine neue Möglichkeit gefunden werden die Bestückung durchzuführen, Auswahl einer geeigneten Anlage zur Bestückungs- und Lagekontrolle auf dem Werkstückträger, Konstruktion und Montage eines Halters zur Aufnahme der Kamera, Programmierung des Vision-Sensors zur sicheren Feststellung von Falschbestückung, Anschluss des Vision-Sensors an die im Schaltschrank eingebaute speicherprogrammierbare Steuerung (SPS) von Beckhoff, Anpassung des Programms der SPS, Anpassen der Visualisierung der SPS zur Anzeige der fehlerhaft bestückten Bauteile auf dem Werkstückträger.

Diese Diplomarbeit soll für die weitere Nutzung der Anlage und des Vision-Sensors im Lehrbetrieb als Anleitung und Dokumentation dienen.

Textprobe:

Kapitel 4, SPS Hard- und Software:

4.1, SoftSPS Beckhoff CX 1020:

4.1.1, Grundmodul:

Bei dem Embedded-PC CX1020 von Beckhoff handelt es sich um eine, für die Hutschienenmontage gebauten SoftSPS, die sich über verschiedene Systemmodule individuell an die jeweiligen Bedürfnisse der Steuerungsaufgabe anpassen lässt. Als CPU arbeitet im CX1020 ein Intel®-Celeron®-M-CPU mit einer Taktfrequenz von 1GHz. Diese CPU arbeitet mit einer niedrigen Core-Spannung ULV (Ultra Low Voltage) und kommt mit einer niedrigen thermischen Verlustleistung von lediglich 7 Watt aus. Dadurch, dass als Speichermedium eine Compact-Flash Speicherkarte zum Einsatz kommt, die keine beweglichen oder rotierenden Teile enthält wie bei einer Festplatte und die CPU dank der niedrigen thermischen Verlustleistung ohne Lüfter auskommt, ist der Embedded-PC äußerst störungsunempfindlich. Das Grundmodul bietet, neben dem Compact-Flash Speicherkartenslot, noch zwei RJ-45-Buchsen. Diese sind intern an einen 3-Port-Switch angeschlossen, was den Aufbau einer Linientopologie ohne den Einsatz eines separaten Switches ermöglicht. Die einzelnen, an das SPS-Grundmodul angeschlossenen, Systemmodule sind untereinander mit dem genormten PC/104-Bus verbunden. Die Module sind aneinanderreihbar und in einfacher Breite in 19 mm und in doppelter Breite in 38 mm ausgeführt. Die Basiseinheit mit CPU-Modul und Netzteilmodul bildet das Grundgerüst der SPS. Das an das CPU-Modul angeschlossene Netzteilmodul stellt, neben der Spannungsversorgung, noch ein Display mit zwei Zeilen á 16 Zeichen zur Verfügung, welches sowohl Statusmeldungen, als auch applikationsspezifische Texte darstellen kann.

4.1.2, Erweiterungen:

Die am Transfersystem eingesetzte CX1010 Basiseinheit ist zusätzlich, neben dem Grundmodul aus CPU und Netzteil, noch mit einem Modul zum Anschluss eines Monitors über DVI-I, sowie zwei USB Geräten ausgestattet. Die Ein- und Ausgänge, sowie verschiedene Buskoppler der SPS, werden über das, von Beckhoff entwickelte, EtherCAT-Klemm-System als elektronische Reihenklemmen ebenfalls an das Grundmodul angesteckt. Die Kontaktierung erfolgt bei dem Einrasten automatisch. Über das EtherCAT Protokoll lassen sich so bis zu 65.535 Teilnehmer anschließen und das Netzwerk somit fast unbeschränkt erweitern. Die, am Transfersystem eingesetzten, Klemmen für die Ein-/ Ausgänge haben jeweils 8 digitale Ein- bzw. Ausgänge. Die Eingangsklemmen vom Typ EL1008 arbeiten mit einer Signalspannung für false von -3V bis +5 V und mit einer true Signalspannung von +15 V bis +30 V. Die Ausgangsklemmen stellen als Schaltsignal einen Ausgangsstrom von maximal 0,5 A zur Verfügung.

4.2, TwinCAT:

Bei TwinCAT von Beckhoff handelt es sich um eine, auf DIN EN 61131 basierende, Programmierumgebung, die jeden herkömmlichen PC in eine Echtzeitsteuerung verwandelt. TwinCAT ist dabei auf den meisten Windows basierten PCs lauffähig. Als Betriebssystem werden Microsoft Windows NT, 2000, XP, Vista, Windows 7 sowie NT/XP Embedded unterstützt. Programmierung und Laufzeit können dabei auf verschiedenen PCs erfolgen oder auf demselben. Die Steuerungssoftware läuft auf dem PC als Service innerhalb Windows und startet somit nach dem Hochfahren automatisch. Selbst bei einem Absturz mit Blue Screen kann, bei entsprechender Einstellung, der Prozess weiter laufen bis ein sicherer Zustand erreicht ist und der PC neu gestartet werden kann. Die Integration der Standard-TCP/IP-Dienste von Microsoft Windows, ermöglicht einen weltweiten Zugriff auf die Steuerung.

4.2.1, TwinCAT System Manager:

Die Anbindung an die I/O-Interfaces erfolgt über eine Vielzahl unterstützter PC-Feldbuskarten von verschiedenen Herstellern, dabei können mehrere pro PC verwendet werden und diese je nach Hardware im Master- oder Slavefunktionalität eingesetzt werden. Im System Manager werden die, an die SoftSPS angeschlossenen, I/O-Interfaces konfiguriert. Dabei spielt es keine Rolle ob sie am selben PC oder an einem Beckhoff Embedded-PC angeschlossen sind. Die Konfiguration lässt sich sowohl Lokal, als auch Remote durchführen. Die angeschlossenen Komponenten werden im System Manager übersichtlich, in einer Baumstruktur, dargestellt. Neue Komponenten können einfach aus der Bibliothek ausgewählt und zur vorhandenen Struktur hinzugefügt werden.